氮磷钾添加对无患子叶片性状和果实产量的影响

安 凡，赵淼华，常云妮，薛 婷，李宝银,2,3

(1．福建师范大学地理科学学院,福建 福州 350117；2．福建师范大学湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福建 福州 350117；3．福建师范大学福建省植物生理生态重点实验室,福建 福州 350117)

氮(N)、磷(P)、钾(K)是林木生长与结实过程中所必需的营养元素，施用量多少不仅影响林木的生长，还直接影响结实率及其果实的油脂品质[1-2].氮对植物细胞分裂具有重要作用，能有效促进作物生长速度、产量和品质[3]，是作物生产中最重要的营养物质之一.磷参与糖、蛋白质和脂肪的新陈代谢，在能量传递体系起介质作用，能提高作物抽芽和开花后各部位的生长速度，进而影响作物的生长、产量与质量.钾肥可促进碳水化合物和氮的代谢，增加粮食作物的蛋白质含量[4]、油料作物的粗脂肪和棕榈酸含量，从而提高作物的产量和质量[5].研究表明，N、P、K合理配施可不同程度地提高果实产量及品质[4，6]，缺N、P、K肥或过量会影响养分的吸收和利用，降低产量和品质.叶片是植物对环境响应的敏感器官[7]，是植物生理和生物化学循环的决定性因素[8]，反映植物适应环境变化的生存策略[9]，也体现植物的资源利用效率.养分供应会通过调节蛋白质和酶促进CO2同化，影响分解代谢活性导致叶片碳水化合物净积累变化，进而影响林木生长[10].养分缺乏则会导致植物叶片变小、增厚，使其比叶重较大[11]，适度养分添加促进植物生长，增大植物叶片对光截获能力的需求，进而调整叶形态，改变比叶面积、叶长宽比[12].叶片解剖性状与植物适应性和光合特性等密切相关[13]，叶片生理特性直接影响果实产量和品质[14]，叶片净光合速率与产量呈显著正相关[15]，气孔导度对产量贡献有一定的相关度，但是相关度低于净光合速率[16].目前国内外关于无患子叶片形态、叶片解剖结构及生理特性等影响的报道甚少[17].

无患子(Sapindusmukorossi)，属无患子科，分布于我国淮河以南地区，适宜在热带、亚热带地区生长，为我国重要乡土油料能源树种[18].其果皮粗提物中含有丰富的三萜皂苷和倍半萜类化合物[19]，有高效天然表面活性[20]，是商业肥皂和洗发水中表面活性剂的主要来源[21].其种子和果仁的含油量高，种子油符合生物柴油生产标准，经济价值较高，是国家重点发展的能源林原料树种之一[18].无患子有长达3个月的黄叶期，并为落叶阔叶树种，因此在我国南方还被广泛用于园林绿化和水土保持[22].目前，有关无患子的研究主要集中在对其果实有效成分的提取、应用、分离及其遗传结构等方面[23]，有关养分添加对无患子叶片性状和果实产量的影响及其两者间的关系研究较少.本研究以10年生不同无性系无患子为研究对象，通过设置施肥和不施肥处理，分析其叶性状及果实产量对养分添加的响应特征，研究结果可为无患子合理施肥措施的制定提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

以顺昌林业科技中心苗圃地作为试验区，地理坐标为(26°43′N，117°38′E)，属中亚热带海洋性季风气候，年日照时数1 740.7 h，年平均气温为18.9 ℃，最冷月1月，平均气温7.9 ℃，最热月7月，平均气温28.1 ℃，年平均降水量为1 500～1 700 mm.实验用土为顺昌县造林地的底层山地红土壤，全氮、全磷质量分数分别为1.47、0.83 mg·g-1，土壤pH值为6.32.

1.2 试验设计

本实验以3个10年生无患子的无性系为研究对象，1号无性系的平均树高、地径、冠幅分别为2.23 m、17.03 cm、2.19 m；3号无性系的平均树高、地径、冠幅分别为2.27 m、10.94 cm、2.14 m；5号无性系的平均树高、地径、冠幅分别为2.31 m、15.50 cm、2.19 cm.所选取的3个无性系性状分别为：叶子多且结实较少(1号无性系)、叶子少结实较多(3号无性系)以及叶片数量和结实量居于两者之间(5号无性系).分别设置施肥和不施肥2个处理，每个处理4个重复，每个重复有5株.根据前期研究结果，确定最佳年施肥量为尿素0.9 kg·株-1，钙镁磷肥(P2O5)0.3 kg·株-1，氯化钾肥(K2O)0.6 kg·株-1[2].分别于11月采果后施采后肥(占全年施肥量的40%)、次年4月施花前肥(占全年施肥量的30%)及8月施壮果肥(占全年施肥量的30%).采用环形沟施法进行施肥，环形大小与树冠冠幅大小接近，沟宽15 cm、沟深20 cm，混施后立即覆土.

1.3 叶片生长性状测定

2019年9月中旬进行采样，选择长势良好、无病虫害的完整新鲜叶，每株取一片新鲜叶，每个重复(共9片)混合为1个样本.将所取新鲜叶片展平后，用去离子水洗净表面并擦干所残留的水后，测定其叶面积、叶鲜质量、叶干质量和比叶面积.叶鲜质量(mLFW，g)：使用电子天平称取新鲜叶片得到叶鲜质量；叶饱和鲜质量(mLSFW，g)，将叶片完全浸没于去离子水中 24 h 后称取得叶饱和鲜质量.将叶片置于 65 ℃烘箱中烘干至恒质量后，使用电子天平称取叶干质量(mLDW，g)；使用EPSON V370扫描仪扫描叶片，将所得到的叶片图像用 Adobe Photoshop CC 软件计算得到叶片面积(LA，cm2).烘干后的样品经粉碎后过100目筛，然后以凯氏定氮法测定全氮质量分数.叶氮含量以单位质量叶氮含量 (Nmass，mg·g-1)表示.比叶面积(SLA，cm2·g-1)和叶干物质含量 (LDMC，g·g-1)通过以下公式计算：

SLA=LA/mLDW,

LDMC=mLDW/mLFW.

1.4 叶片光合指标测定

在晴天采用便携式光合-荧光测定系统 LI-6800(LI-COR，Lincoln，Nebraska，USA)测定各光合作用参数，设定光照强度为 1 600 μmol·m-2·s-1，固定红蓝光源，每个处理取 3 次重复，获取净光合速率(Pn，μmol·m-2·s-1)、气孔导度(gs，mol·m-2·s-1)、蒸腾速率(Tr，mmol·m-2·s-1)、胞间 CO2浓度(Ci，μmol·mol-1)等参数.计算水分利用效率(WUE，mmol·mol-1)、光合氮利用效率(PNUE，μmol·g-1·s-1)和单位面积叶氮含量(Narea，mg·cm-2)[24]，相关计算公式如下：

WUE=Pn/Tr,

PNUE=Pn/Narea,

Narea=Nmass/SLA.

1.5 果实产量

在无患子南北两面树冠的上、中、下 3 个位置各选 3 个能代表结果平均状况的样枝，统计每个样枝果实质量，计算 3 个样枝的平均质量，单株产量=结果枝数量×样枝平均结果量[2].

1.6 数据处理

在Excel中对果实产量和叶功能性状数据进行整理，在SPSS 22.0中对数据进行前处理，并通过正态分布检验，采用t检验分析果实产量和叶性状在不同养分环境下的差异(α=0.05).最后，利用Origin 2020对生长和功能性状进行主成分分析.利用Origin 2020软件绘图，图中数据为平均值±标准差.

2 结果与分析

2.1 氮磷钾添加对无患子叶性状的影响

由表1可知，氮磷钾添加对不同无性系无患子叶性状影响不同.氮磷钾添加会显著增加无性系1号无患子叶面积(P<0.05)，而其他无性系无显著影响(P>0.05).无性系1号和5号无患子比叶面积在氮磷钾养分添加下显著增加(P<0.05).仅无性系3号无患子叶干物质含量在养分添加下显著降低(P<0.05)，其他无性系无患子均无显著差异(P>0.05).无性系5号无患子单位质量叶氮含量在氮磷钾添加下显著增加(P<0.05)，而其他无性系均无显著差异(P>0.05).

表1 氮磷钾添加对无患子叶片性状的影响 Tab.1 Effect of nitrogen，phosphorus and potassium addition on leaf traits of S.mukorossi

在氮磷钾添加处理下，无性系1号和5号无患子叶片光合净呼吸速率显著高于对照(P<0.05)；而无患子蒸腾速率在氮磷钾添加下均无显著差异(P>0.05)；无性系5号无患子胞间CO2浓度显著高于对照(P<0.05)，而其他无性系则无显著差异(P>0.05)；无性系5号无患子水分利用效率和光合氮利用效率显著高于对照(P<0.05)，而其他无性系则均无显著差异(P>0.05).各无性系气孔导度在氮磷钾添加下均无显著差异(P>0.05).

2.2 氮磷钾添加对无患子产量的影响

由图1可知，养分添加显著提高了无性系1号和5号无患子的单株产量(P<0.05)，分别增加了63%和55%，而无性系2号则无显著差异.无性系2号无患子百粒质量在氮磷钾添加下显著下降(P<0.05)，而其他无性系均无显著差异.氮磷钾添加显著促进了不同无性系无患子果实的生长，无性系1号和5号无患子果径和果实体积指数在氮磷钾添加下显著增大(P<0.05).

CT：对照；NPK：氮磷钾养分添加.不同小写字母表示同一种源不同处理间的差异显著 (P<0.05)图1 氮磷钾添加对无患子产量的影响Fig.1 Effect of nitrogen，phosphorus and potassium addition on the yield of S.mukorossi

2.3 氮磷钾添加对其叶片与果实产量间关系的影响

在上述分析基础上，进一步采用主成分分析氮磷钾添加后无患子产量和叶性状间的关系.结果表明，第一主成分和第二主成分的方差解释率分别为36.8%、29.6%，合计66.4%.其中主成分1主要与Nmass、LDMC、LA等因子相关，而主成分2与PNUE、Pn和Tr等相关度较高.由图2可知，LA、Pn、PNUE与产量呈显著正相关，而SLA和Nmass与产量呈显著负相关.

FYP：单株产量；SW：百粒质量；FVI：果实体积指数；FD：果径；SLA：比叶面积；LA：叶面积；LDMC：叶干物质含量；Nmass:单位质量叶氮含量；Pn：净光合速率；Tr：蒸腾速率；Ci：胞间 CO2浓度；gs：气孔导度；WUE：水分利用效率；PNUE：光合氮利用效率图2 氮磷钾添加下无患子果实产量与叶性状的主成分分析Fig.2 Principal component analysis of fruit yield and leaf traits of S.mukorossi under NPK addition

3 讨论

叶片是连接植物与外界环境的主要器官，其对自然光的捕获、气体交换和温度调节具有重要作用[25]，同时叶片作为植物暴露在外界环境中面积最大的器官，其结构和功能的变化会对植物生长代谢过程产生一定影响[26].植物性状对其生活对策和竞争能力起到决定性作用，其中叶片结构性状 (如比叶质量) 和生理性状 (如光合速率)对其影响最大[26-27].研究表明，氮添加显著增加了无患子比叶面积，而降低其叶干物质含量,这与文献[24]研究结果一致.一般而言，具有高SLA和低LDMC的植物其资源利用效率和光捕获能力较强，与之相反拥有低SLA和高LDMC的植物表明其对资源的利用效率较低[24,28].叶片功能性状在面对资源环境变化时，叶片功能效率和结构建成2个方面有着“此消彼长”的资源权衡策略[26]， LDMC越大，说明植物用于叶片结构建成的养分投入越大，其储水空间越小，植物生长较为缓慢[24,28].本研究中施肥处理下无患子采取减少对叶片的构建及防御性资源策略，通过扩大比叶面积和减小其叶干物质含量，来增强其对光的捕获能力，促进其对资源的吸收.另外，本研究还发现，养分添加下，无患子叶片净光合速率显著高于对照，比叶质量越小的植物，其细胞壁薄，叶肉细胞导度高，CO2的同化速率高[29]，同时薄而大的叶片其Tr和gs较高，说明适量的养分添加导致Pn的增加可能是因为gs和羧化能力增加的共同作用，提高了无患子水分和养分的运输速率，增强其光合产物的积累[30].由此可见，氮磷钾添加促使无患子向叶经济谱回报快的一端发展，即表现出低叶干物质含量、高净光合速率、高比叶面积和高Nmass的“快速-投资-收益” 的生长策略[24].

氮磷钾是果实生长发育的基本元素，在无患子生长发育过程中缺一不可[31].氮磷钾配施对果树生长和果实发育具有明显的促进作用[2].这与本研究结果一致，即氮磷钾添加下，无患子果实产量显著增加.这可能是因为施肥可平衡植物体内的营养不均，通过减少新梢的营养生长，使其降低养分消耗[32]，进而促使果实产量的增加.此外，本试验研究也发现氮磷钾添加对无患子果径和果实体积均具有显著的促进作用.这可能是因为氮磷钾添加会表现出协同交互作用，进一步提高植物对养分的吸收利用，利于其营养物质的积累，使无患子果实较大.

叶片生理和形态性状反映了资源吸收和资源利用效率的策略，叶片对养分和光照变化的响应影响着植物生长及果实产量和品质.研究表明，果实产量与净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、叶面积呈显著正相关[33]，这与本研究结果一致.氮磷钾添加会影响无患子叶面积的发育，致使其叶面积增大以此来增强其光合产物的积累[34]，此外氮磷钾添加后减少开花后叶片的氮释放，延缓叶片衰老，保持较高的光合速率，并为谷物填充提供碳水化合物[35]，促进植物生长及产量.